岩样三轴应力状态与变形特性试验研究

岩样三轴应力状态与变形特性试验研究

1围压对杨氏模量的影响试验过程的全球控制和数据的计算机采样可以充分研究岩石样品的变形特征。由于轴向应力-应变关系并非直线,作为岩石材料重要参数的杨氏模量,存在割线模量、切线模量和平均模量等多种选择。此外岩样在加载和卸载过程中变形也不完全相同,围压对杨氏模量的影响特征还不很明确。岩石内存在裂隙,在压应力状态下裂纹不仅承载正应力,而且可以通过摩擦力承载一定的剪切应力。在修正的Griffith准则和细观损伤力学中都考虑裂隙之间的摩擦力。砂岩类岩石含有大量的孔隙,颗粒之间的滑移也受到摩擦力的影响,但摩擦力只有发生相对滑移后才会逐步产生。摩擦力的大小受到轴向应力和围压的显著影响,而作用方向由应力变化过程即应力路径控制。本文以直接剪切过程中载荷与变形之间的关系分析了摩擦力的建立过程及对变形的影响,利用伺服试验机对几种岩石试样进行了单轴压缩和恒定围压的三轴压缩试验,通过比较岩样加载和卸载过程来理解岩石材料的性质。2卸拉过程和加载过程图1是长为L、宽为B的弹性板,单位长度的刚度为K。该板受正应力σ,自由放置在绝对刚性的基础上,摩擦系数为μ。水平力F从零增加时,板从左向右逐步受压并与基础发生相对滑移,同时产生摩擦力。在x=η处开始发生滑移时,板中x<η各点的载荷和位移分别为其余保持自由状态,在板的左端有当η=L时,结构达到最大承载能力F0=μσBL,产生压缩变形。其后F将保持F0而产生整体滑移。在此之前,变形和载荷满足结构内各点的载荷f(x)如图2中直线1所示,变形U与载荷F的关系如图3中抛物线1所示。若加载至图3中T点开始卸载,即减小载荷F,板内的变形从左端向右逐步恢复,板与基础之间产生滑移,同时摩擦力改变方向。在x=ζ<η处开始发生反向滑移时,x<ζ的各点满足其余各点保持卸载前状态不变。f(x)的变化如图2中直线2所示,在板的左端有两者的关系满足如图3中抛物线2所示,在ζ=η/2时,F降为零,但接触面之间仍存在摩擦力即残余应力,使结构处于压缩状态。相应的残余变形,为卸载起点处压缩变形UT的一半。如果从卸载终点再加载时,结构从左向右逐步受压,再次与基础之间发生滑移而引起摩擦力方向的变化。ζ<η/2处开始受压时,0<x<ζ摩擦力方向向左,ζ<x<η/2摩擦力向右,η/2<x<η摩擦力向左,x>η没有摩擦力。经简单计算可以得到再加载过程中载荷与变形的关系,参见图2和图3中再加载过程3。显然由于裂纹之间的摩擦力,使得加载过程和卸载过程不可重复。在摩擦力发生方向改变时,变形U的变化量较小而载荷F的变化量较大。F达到F0之后将发生宏观滑移。此后卸载端点处的变形包括不可恢复的塑性变形和摩擦力维持的残余变形,后者的数值为U0/2。就图1的模型而言,在正应力增加过程中,结构的状态不会发生任何变化,但剪切加载之后的正应力降低将引起载荷和变形发生变化,其变化过程需要根据具体情况讨论。这里只想指出,轴向卸载之后的残余变形在降低正应力后会得到释放,而维持载荷F不变时降低正应力,则σ达到后会发生宏观滑移。显然加载路径对结构的变形特性有着显著影响。材料的弹性变形和裂隙的摩擦滑移密切联系,加载和卸载过程的不同反映了材料内部的力学性质。对常规三轴压缩的岩石试样而言,内部可能存在大量不同倾角的裂纹或空隙,在轴向加载时岩样内的裂隙首先发生闭合,然后承载正应力,并通过摩擦力承载剪切力,其正应力、剪切应力与轴向载荷和围压都有关系。3轴向压缩和围压对试验结果的影响图4(a)为花岗岩试样1多次单轴压缩的试验结果,最大加载应力约为单轴压缩强度的80%。在轴向应力80MPa处,第二次压缩比第一次线性程度提高,卸载的残余变形有所减小。以后的多次加载和卸载过程相同,平均模量56GPa,不再发生变化。图4(b)是试样2在不同围压下加载、卸载的曲线。围压逐次增大,岩样的初期压密阶段减少,但平均模量并没有明显变化,为57GPa。只要经过两三次加载、卸载,则岩样的变形特性不再发生变化,与围压没有关系。图5(a)为煤试样1单轴循环加载曲线。第一次加载、卸载后,试样产生了残余变形,卸载曲线稍有滞后。峰值后岩样发生局部劈裂,实际承载断面减小,因而卸载和再加载的名义模量降低,试验结束时煤样仍有部分保持完好。该组煤样都具有很好的线性特征,卸载模量与加载模量差异甚小,且同一试样的杨氏模量与围压没有关系。煤试样2在围压5MPa和15MPa的两次轴向加载和卸载后,进行围压20MPa下轴向循环加载AB,围压降低BC,最后是围压为零的轴压降低,见图5(b)。卸载或再加载时轴向应力降低或增加,而变形几乎保持不变,这可以从煤样层理之间摩擦力方向改变来理解。轴向应力增加材料肯定要产生压缩变形,但单纯矿物颗粒的变形量很小,摩擦力方向改变时,载荷的增加或降低并不引起层理面之间的滑移变形,因而煤样总的变形很小。在主应力差降低到零时,试样仍保留一定的轴向变形。对BC之间主应力差恒定的围压降低过程,利用虎克定律得到该试样的杨氏模量为5.0GPa,求得泊松比ν=0.35。保持轴向变形不变,仅利用围压与轴向应力之间的变化关系,也可以确定泊松比。试验结果表明,花岗岩、煤的残余变形是恒定的,表明岩样内裂隙在建立摩擦力之后,没有产生新的滑移,即在试验范围内裂隙面没有达到其滑动摩擦力。它们加载和卸载的杨氏模量大致相同,与围压没有关系。花岗岩内颗粒尺度较大,不均质性明显,但颗粒之间接触紧密,不易发生错动,具有很好的整体变形特征。煤的颗粒非常细小,存在方向恒定的层理面。轴向压缩煤样时,层理之间产生一定的变形,建立摩擦力后,使其具有均质材料的特征;轴向卸载时层理之间的摩擦力方向会发生变化,抑制层理面之间的变形恢复,使煤样继续具有均质材料的特征。循环加载对粉砂岩试样的强度和屈服破坏过程没有明显影响,见图6,但卸载和加载过程不可重复。加载过程是线性的,卸载过程是非线性的,产生塑性变形和残余变形。试验所用试样尽管均匀、致密,没有缺陷,但粉砂岩本身具有许多空隙,加载过程首先使得岩样内部分裂隙闭合,摩擦力和正应力逐步增加以承载轴向应力,在此过程中会发生微小滑移。卸载时,裂隙内的摩擦力将抑制材料的回弹,并以残余应力的形式保持下来。再加载时岩样的变形减小,杨氏模量提高。在轴向应力低于单轴压缩强度34MPa的范围内,对同一红砂岩试样进行不同围压的循环加载,采用载荷控制加载。图7(a)为围压3MPa和30MPa的试验结果。岩样变形特征相似,但杨氏模量随着围压增大而明显提高,而同一围压下,第一次加载后杨氏模量也有所提高。这可以利用裂隙面的摩擦力来解释,轴向压缩变形越大,卸载的残余变形越大,大致成线性关系。图7(b)是另一个采用变形控制加载试样的试验结果。围压逐次增大,试样的杨氏模量随围压明显增大,卸载和加载过程也完全不同。在卸载初期应力跌落后岩样变形是线性的,其范围随围压而增大,最后是非线性的。第一次卸载时残余变形稍大,以后残余变形大致相同,它们在围压降低时仍将逐步恢复。经过围压从0增大到15MPa又减小到0的10次加卸载之后,该试样单轴压缩的平均模量仍与一次压缩破坏试样的数值相同,只是加载初期的压密阶段减少。砂岩含有大量不同方向的裂隙,并且颗粒之间存在孔隙,在轴向压缩过程中,产生弹性骨架的变形、裂隙的滑移和孔隙的闭合三部分。围压不同,裂隙内的摩擦力变化过程也不同,从而影响杨氏模量。轴向压缩变形越大卸载后的残余变形也越大,表明加载过程中的线性变形包含了颗粒之间摩擦滑移和孔隙闭合。卸载过程中的应力跌落是内部摩擦力方向改变引起的,非线性变形则表明岩样内的有效承载面积不断减小,意味着原来闭合的空隙由于其附近材料的弹性恢复而张开。摩擦力对砂岩变形的作用明显。4“工伤型”试验结果图8为煤样337在围压30MPa下的三次加载、卸载结果。第一次加载应力较低,变形特征与图6完全相同。第二次加载时岩样发生屈服,在应力几乎不增时变形显著增加。卸载时BC段应力降低量相应增大。这表明岩样内的剪切滑移面增大,摩擦力在岩样承载的轴向应力中所占比重增大。不过其后CD段的变形仍是线性的,杨氏模量也与加载时相同。D点之后,变形成为非线性。卸载结束时残余变形增加不大,即AB段的滑移量也恢复了,这是通过裂隙的张开来实现的。第三次加载时首先是一段与卸载过程相似的非线性过程,表明裂隙的闭合、承载。其后试样就开始屈服。由于试验采用载荷控制,在主应力差31MPa时试样发生破坏。图9为粉砂岩试样在围压10MPa时,轴向循环加载的全程曲线。岩样进入屈服状态的有效卸载,使岩样的强度降低。峰值应力之后进行卸载,岩样在轴向产生很大的塑性变形,再加载时尽管变形仍是线性的,但大量裂隙的滑移使得杨氏模量降低。在图10(a)的4次试验中,风化砂岩的杨氏模量随围压增大,但残余变形大致相同。力学特征与图7红砂岩相似。其后在图10(b)中,围压30MPa时岩样内部发生屈服,产生显著的塑性变形。卸载时轴向应力的降低较大,残余变形也增大许多,表明试样内部发生了整体的滑移,不能在卸载过程中恢复,即通常所说的塑性变形。但围压提高到40MPa时试样变形又具有了很好的线性,显然岩样屈服破坏之后,仍可以在摩擦力作用下承载轴向载荷。只要轴向应力低于其承载极限,则不会产生新的塑性变形,卸载后的残余变形与原来的相同,由轴向变形确定。上述试验结果表明,岩样卸载的杨氏模量不能直接表示其内部的损伤状态。至于岩样加载过程,由于裂隙可以承载正应力,并通过摩擦力承载剪切应力,所以杨氏模量与损伤状态之间的关系更不确定。基于有效应力定义的损伤因子,是通过单向拉伸的杨氏模量来确定,因而不能直接用于描述岩石。5煤系富矿岩质残余变形的特性(1)摩擦力阻碍接触面之间相对滑移,因此加载过程和卸载过程中摩擦力的方向不同,线性变形并不意味着弹性变形。轴向卸载后出现的残余变形在围压降低时仍会逐步释放,并不等同于塑性变形。(2)均匀、致密的花岗岩、石灰岩和煤试样,其加载和卸载过程是线性的